Implementación de los lazos de control de un generador de vapor de 120 ton/h del ingenio azucarero Agro Industrial Paramonga S.A.A

(1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

"IMPLEMENTACION DE LOS LAZOS DE

CONTROL DE UN GENERADOR DE VAPOR DE

120 TON/H DEL INGENIO AZUCARERO AGRO

INDUSTRIAL PARAMONGA S.A.A"

INFORME DE SUFICIENCIA

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE

INGENIERO MECATRONICO

MARCOS YAMANDU RODRÍGUEZ TUCTO

PROMOCION 2002-11

LIMA-PERU

(2)

Dedicado a Mis padres:

Marcos Rodriguez

L

y Victoria Tucto

R

a mis hermanos:

Xenina, Keller, Xandra y Jhessel

y a todas las personas que han contribuido

(3)

CONTENIDO

Prólogo

...

5

CAPITULOI Introducción ... 7

1.1. Antecedentes ... 7

1.2. Justificación ... 8

1.3. Planteamiento del problema ... 9

1.4. Objetivo ... 1 O 1.5. Metodología de trabajo ... 10

1.6. Alcances ... 11

1.7. Limitaciones ... 11

CAPITULOII Fundamentos ... 13

2.1. Proceso de elaboración de azúcar ... 13

2.1.1. Descripción del proceso ... 13

2.1.2. Situación inicial de la planta de fuerza ... 17

2.2. Nuevo generador de vapor ... 17

2.2. 1. Normas y códigos aplicables en la fabricación e instalación ... 18

2.2.2. Componentes y equipos ... 19

2.2.3. Funcionamiento simplificado ... 24

CAPITULO 111 Tecnología empleada en el sistema de supervisión y control ... 26

3.1. Descripción ... : ... 26

3.2. High Speed Ethernet (1-ISE) ... 27

3.3. Beneficios, ahorros y dudas en un Sistema de Control de Campo (FCS) ... 29

3.4. Identificación y cuantificación de los dispositivos a emplear ... 32

(4)

3.5.1. Selección del cable ... 33

3.5.2. Alimentación de los dispositivos ... 33

3.5.3. Instalación eléctrica ... 34

3.6. Topología de red y dispositivos HSE ... 34

3. 7. Bloques de función Fieldbus - SMAR ... .40

CAPITULO

IV

Lazos de control del generador de vapor ... 42

4.1. Control de nivel del domo superior ... 42

4.1.1. Control de nivel a tres elementos ... 44

4.1.2. Instalación de transmisores y dispositivos adicionales ... 46

4.1.3. Di_agrama de bloques del control ... 50

4.1.4. Programación en bloques del controlador ... 51

4.1.5. Parámetros Fieldbus del lazo de control ... 52

4.1.6. Prueba del lazo y condiciones de seguridad ... 55

4.2. Control de combustión - presión de vapor ... 56

4.2.1. Instalación de transmisores ... 58

4.2.5. Prueba del lazo y condiciones de seguridad ... ." ... 64

4.3. Control de tiro - presión de hogar ... 65

4.3.5. Prueba del lazo y condiciones de seguridad ···:··· 70

4.4. Control de nivel del desaireador ... 71

(5)

4.5. Control de presión de agua de alivio ... 75

4.6. Control de flujo mínimo - venteo ... 78

4.7. Control de agua de lavador de gases ... 82

4.8. Lazos de control a implementar en el futuro ... 86

4.8.1. Control de presión de estación reductora ... � ... 86

4.8.2. Control de temperatura de vapor sobrecalentado ._ ... 88

4.8.3. Control de temperatura de vapor para Proceso ... 90

4.9. Sistema de seguridad del generador de vapor ... : ... , ... 92

4.10. Limpieza de líneas de conexión de transmisores ... 94

Conclusiones

...

95

Bibliografía

...

96

Anexos A. Desi_gnación de los canales FF - Proyec;to Paramonga ... 98

B. Desi_gnación de entradas y salidas del PLC - Proyecto Paramonga ... 101

(6)

PRÓLOGO

La experiencia de formar parte del equipo de supervisores de la fabricación, montaje, operación y mantenimiento de un generador de vapor de 120 Ton/h de diseño brasileño, en el Ingenio Azucarero A_gro Industrial Paramonga me han servido de base para elaborar el presente informe.

El proyecto del nuevo generador de vapor inició en noviembre del 2004 y finalizó en diciembre del 2006, con una inversión aproximada de 8 millones de dólares que fue financiada por el Banco Mundial.

Con este informe se busca brindar un aporte en cuanto a los delineamientos en la

implementación de los lazos de control más importantes de un generador de vapor tipo

acuotubular netamente bagacero usado en los ingenios azucareros.

En el Capitulo I se presentan los antecedentes, la justificación, el objetivo, la

metodología de trabajo, los alcances y las limitaciones propias del presente informe.

(7)

En el Capitulo III se explican los beneficios, ahorros y dudas en un Sistema de Control de Campo (FCS). Se describe la tecnología Foundation Fieldbus (FF), sus dispositivos, el tipo de comunicación, la topología de red, y la pro_gramación empleada en el control e instrumentación del generador de vapor.

En el Capitulo IV se describe en forma detallada los lazos de control implementados en el generador de vapor. Se muestra los diagramas de bloques de las estrategias de control, la pro_gramación en bloques y los parámetros Fieldbus de los lazos de control. Adicionalmente se presenta las respuestas a plena carga de los lazos de control implementados, las condiciones de seguridad y algunas recomendaciones que se deben de tener en cuenta para la instalación de los transmisores.

(8)

CAPITULO!

INTRODUCCIÓN

1.1. Antecedentes.

El origen de la empresa se remonta al año de 1871 cuando la familia Canaval adopta el nombre de Sociedad Agrícola Paramonga. En 1927, la transnacional W. R. Grace & Co. adquirió la empresa y desarrolló lo que se convertiría en uno de los centros industriales más eficientes de América del Sur.

Como resultado del proceso de la reforma Agraria, según Ley Nº 17716, la compañía se constituyó en cooperativa el 3 de Octubre de 1970, bajo la administración de sus trabajadores, con la denominación de Cooperativa Agraria Azucarera Paramonga Ltda. Nº 37. El 11 de septiembre de 1994, la asamblea general de delegados acordó la transformación del modelo empresarial cooperativo por el de sociedad anónima abierta de accionariado difundido con el nombre de Agro Industrial Paramonga S.A.A., rigiéndose bajo la ley general de sociedades a partir del 1º de �nero de 1995.

(9)

junta general de accionistas acordó disolver y liquidar Industrial Paramonga S.A.C., para lo cual transfirió la totalidad de sus activos y pasivos a Agro Industrial Paramonga S.A.A.

El ingenio azucarero Agro Industrial Paramonga S.A.A (AIPSAA), con domicilio legal Av. Ferrocarril 212 en el distrito de Paramonga, provincia de Barranca, departamento de Lima, tiene como actividad principal la siembra, cultivo y cosecha de productos agrícolas destinados al consumo general y el procesamiento de alimentos concentrados. La compañía tiene adjudicada 6635 hectáreas de campo propios para el cultivo de caña de azúcar y cuenta con una instalación fabril completa para el procesamiento de caña de azucar, produciendo azúcar cruda y refinada con un rendimiento aproximado de 112 Kg. de azúcar /Ton de caña.

1.2. Justificación

Comprometidos con el cuidado del medio ambiente y en aplicación de los mecanismos de incentivos bajo el Protocolo de Kyoto, después de dos años de trabajo y estudios preliminares, la compañía decidió iniciar formalmente su participación en las actividades del Mecanismo de Desarrollo Limpio - MDL con lo que se buscó viabilizar económicamente la inversión en un generador de vapor acuotubular moderno, que en adelante lo llamaremos GV A, de tal forma que genere energía limpia

en forma eficiente

utilizando recursos

renovables como el bagazo de caña en reemplazo del petróleo.

Para tal efecto, se presentó la solicitud de aprobación del proyecto a la Comisión Nacional de Medio Ambiente (CONAM) como paso previo al proceso de validación del proyecto por la Entidad Operacional Designada (DOE) y aprobación final y registro por la Junta Ejecutiva del MDL, que es el organismo de las Naciones Unidas para cambio

climático.

Se ha calculado en 853,000 las toneladas de CO2 (gases de efecto invernadero) que

Paramonga va a dejar de emitir en un lapso de 1 O años, lo que permitirá beneficiarse con la

obtención de i_gual cantidad de Certificados de Emisiones Reducidas CER cuyo valor

promedio estimaqo por el Banco Mundial para los próximos años es de 10 Euros/Ton, lo

(10)

1.3. Planteamiento del problema

Según el artículo: "Conversion of a conventional sugar factory to high efficient energy use" desarrollado por el Ing. Florenal Zarpelon (asesor técnico) y el Ing. Pablo Noriega (accionista del Ingenio Azucarero de ESTHER - Piracicaba - Brasil), un ingenio azucarero moderno con tecnología de avanzada debe alcanzar un rendimiento eléctrico de 150 Kw./Ton caña. Para ello se debe contar con generadores de vapor de por lo menos 85% de eficiencia, produciendo vapor a una presión de 62 Kg./ cm2 y con Turbogeneradores de extracción-condensación multietapa.

Demostración de la factibilidad de alcanzar el rendimiento eléctrico indicado:

Producción de bagazo 280 Kg. bagazo/Ton caña

Eficiencia del Generador de Vapor 2.3 Kg. vapor/Kg. bagazo

Eficiencia del Turbogenerador Consumo específico del bagazo por kilowatt generado

Rendimiento eléctrico

4.3 Kg. vapor/Kw.

(4.3 Kg. vapor/Kw.) / (2.3 Kg. vapor/Kg. bagazo) 1.87 Kg. b_agazo/Kw.

(280 Kg. b_agazo/Ton caña)/ (1.87 Kg. bagazo/Kw.) 150 Kw./ Ton caña

En este caso, sí la fabrica esta totalmente electrificada debe consumir entre 30 a 40 Kw./Ton caña, la variación considera el grado de uso de electricidad para viviendas, oficinas y riego en el campo, etc. por lo tanto, un ingenio de estas características puede disponer para venta a la red pública de 110 a 120 Kw./Ton caña.

En la planta de fuerza del ingenio Agro Industrial Paramonga S.A.A., antes de que el

nuevo GV A entre en funcionamiento, se tenía:

Producción de bagazo Eficiencia del Generador de Vapor

Eficiencia del turbogenerador Consumo específico del bagazo por Kilowatt generado

Rendimiento eléctrico

280 Kg. bagazo/Ton caña

1.8 Kg. vapor/Kg. bagazo

12 Kg. vapor/Kw.

(12 Kg. vapor/Kw.) / (1.8 Kg. vapor/Kg. bagazo) 6.67 Kg. bagazo/Kw.

(11)

Se puede observar que por la baja eficiencia del generador de vapor Foster Wheeler y

la del turbogenerador General Electric de 2.25 MW, consumíamos 3.5 veces más bagazo

para generar un Kilowatt que una planta eficiente moderna.

Basándose en ello, se debe tratar de alcanzar una conversión

CAPITULOII

FUNDAMENTOS

2.1. Proceso de elaboración de azúcar.

2.1.1. Descripción del proceso

La caña de azucar, materia prima en el proceso, es transportada mediante

camiones desde los campos hacia el ingenio los cuales con la ayuda de la grúa tipo hilo

descargan la caña en las mesas de alimentación para la molienda. La caña- es lavada

para eliminar tierra y piedras que se presentan al efectuarse el carguio en los camiones,

posteriormente es transportada hacia una serie de machetes y un desfibrador de

martillos que preparan la caña para ingresar a los molinos.

La caña se comprime a través de 5 molinos con sus respectivas turbinas que

consumen vapor proveniente del GV A a 450 PSI. y que tienen vapor escape de 45

PSI. Es aquí donde se agrega el a_gua de imbibición para mejorar la extracción del jugo de la caña, pudiéndose extraer hasta el 95% de azúcar que contiene la caña.

(15)

En la Tabla 1. se muestra el porcentaje promedio en peso de la composición de la caña que ingresa al proceso:

Tabla 1. Composición de la caña

Azúcar (sacarosa en caña) 12.12% Fibra (residuo de la caña exprimida) 15.08%

A_gua 71.30%

Cuerpos nitrogenados 0.40%

Grasas y cera 0.20%

Pectina (goma) 0.20%

Ácidos Libres 0.08%

Ácidos combinados 0.12%

Cenizas 0.50%

Total 100.00%

Para ayudar a separar las impurezas presentes en el jugo obtenido y mantener su

PH en 7 se le agrega carbonato de calcio ( cal diluida) el cual envuelve las materias colorantes y gomas, obteniéndose jugo encalado con un Brix promedio de 14 Bx.

(sólidos en suspensión).

El jugo encalado se calienta en tres etapas hasta los 105 ºC e ingresa a un tanque

flash para eliminar vapores, luego ingresa a baja velocidad a los clarificadores de jugo

continuo, donde se agregan floculantes para separar las impurezas y obtener jugo clarificado limpio. Las impurezas o cachaza se mezclan con b_agacillo que los aglomera y facilita la filtración en tres filtros rotativos al vació (filtros Oliver) de donde se

obtiene una masa llamada torta, que sirve de abono en los campos de cultivo, y un jugo filtrado que retorna al tanque de jugo encalado para su reproceso.

El jugo clarificado limpio y sin impurezas contiene aproximadamente 85% de

agua e ingresa a un pre evaporador (KETZNER) que consume vapor a 45 PSI. para

ser calentado y concentrado hasta un brix promedio de 19 Bx. eliminando el agua

contenida en el jugo en forma de vapor vegeta,l el que se mezcla con el vapor a 15 PSI.

proveniente de la extracción del Turbogenerador de planta de fuerza y de la estación

reductora de 45 PSI a 15 PSI.

(16)

condensarse en el si_guiente cuerpo origina condensados con dureza. El jugo que sale

de los evaporadores, también llamado jarabe o meladura, se encuentra entre 65 a 70

Bx. y a una temperatura menor de 53 ºC para evitar que se caramelice o cambie de

color. Esta meladura se deposita en unos tanques para luego ser procesados en los

tachos de cocimiento en los que se evaporara el agua contenida en ella, produciéndose de esta manera tres tipos de masas: Masa A (85% de pureza), Masa B (72% de pureza),

Masa C ( 60% de pureza) y Masa Refinada. A partir de estas masas con un proceso de

centrifu_gación se obtienen: Azúcar A (Refinada Industrial Wong), Azúcar B (Refinada Especial Metro), Azúcar C (Refinada Domestica) y Azúcar D (Blanca Refinada).

Para el cocimiento o templa de la Masa A:

Meladura + Azúcar B + Agua de Dilución = Masa A Con la centrifu_gación de la Masa A:

Masa A = Miel A + Azúcar A

Para el cocimiento de la Masa B:

Miel A + Azúcar C + Agua de Dilución = Masa B Con la centrifu_gación de la Masa B:

Masa B = Miel B + Azúcar B

Para el cocimiento de la Masa C:

Miel B + Miel A + Agua de Dilución = Masa C Con la centrifu_gación de la Masa C:

Masa C = Melaza/ Miel Final + Azúcar C

La Melaza o Miel fina se usa como materia pruna en una destilería para la producción de alcohol rectificado fino (etílico), alcohol extrafino y alcohol anhidro.

Para la elaboración de azúcar Blanca Refinada, el Azúcar A es diluido con agua en un tanque con agitación y se le conoce con el nombre de licor, el cual se encuentra en

(17)

presentes en el licor con el agre_gado de un coagulante, estas impurezas se terminan de

eliminar en una zaranda.

Para el cocimiento de la Masa Refinada:

Licor

+

Miel Refinada

+

Agua de dilución

=

Masa Refinada

Con la centrifu_gación de la Masa Refinada:

Masa Refinada

=

Miel Refinada

+

Azúcar refinada

El azucar saliente de la etapa de centrifu_gación es trasladado mediante unos

trasportadores hacia unos secadores de aire caliente que trabajan con vapor de 125

PSI. proveniente de una la línea de escape del Turbogenerador de la planta de fuerza. Posteriormente, el azúcar seco, es trasladado a un sistema automático de envase y despacho. Toda la descripción anterior se esquematiza en la Fi_gura 1.

Fi_gura 1. Proceso de elaboración de azúcar

RECEPCIÓN DE LA CAÑA CAÑA VAPOR PREPARACIÓN Y MOLIENDA DE LA CAÑA

BAGAZO GENERACIÓN DE VAPOR GENERACIÓN DE ENERGIA ELÉCTRICA JUGO CLARIFICACIÓN DEL JUGO JUGO ACHAZA FILTRADO DEL LODO LODo----SECADO DEL AZÚCAR EVAPORACIÓN DEL JUGO ELADURA COCIMIENTO DEL AZÚCAR MASA COCIDA CENTRIFUGACIÓN DEL AZÚCAR MIEL FINAL

(18)

2.1.2. Situación inicial de la planta de fuerza

Inicialmente la planta de fuerza contaba con dos generadores de vapor, un

generador de vapor

Foster Wbeler

con una capacidad de generación de 90 Ton/h que

tiene un sistema dual para quema de b_agazo y Petróleo Bunker 6, y un generador de

vapor

Edge

Moor de 12 Ton/h netamente b_agacero. Ambos generadores, por mas de

30 años, han sido responsables de la producción de vapor requerido por el proceso

fabril que es de aproximadamente 95 Ton vapor/h. a una presión de 31 Kg./cm2

Parte del vapor generado se destina para alimentar las Turbinas de los molinos de

Trapiche para la extracción de jugo, otra parte se destina para la autogeneración

eléctrica mediante un Turbogenerador General Electric de Extracción y Contrapresión

de 2.25 Mw. Como la electricidad autogenerada no cubre la demanda interna se tiene

una potencia contratada de 1 Mw. Con la empresa generadora Cahua. Todas las salidas

de vapor de escape de las turbinas son de 45 PSI. y alimentan a los evaporadores y

calentadores de jugo en la fábrica.

El consumo de petróleo Bunker 6 era de aproximadamente 2,580,000 galones por año, lo que constituía un egreso del orden de US$ 2,500,000 por año, con un excedente del b_agazo de 150 a 160 Ton/día con precio de venta entre US$ 25 y US$ 30 por tonelada más IGV.

2.2. Nuevo generador de vapor

El nuevo GV A, proyectado para una futura cogeneración, es de tipo acuotubular, con circulación natural, con dos domos, soportada por la base, con sistema de tiro controlado, con paredes de agua totalmente membranadas, con parrilla de tipo basculante para quema de b_agazo de caña y flujo de gases de combustión de tipo cruzado en único pase ..

Tiene una capacidad de generación de 120 Ton/h de vapor a una presión .de 42

(19)

El nuevo GV A esta compuesto de dos sistemas básicos separados, un Sistema Agua Vapor, y un Sistema Aire - Combustible - Gases de combustión. La entrada del Sistema

Agua - Vapor es agua que recibe calor a través de una barrera de metal sólido y que deja el

sistema en forma de vapor. Las entradas del Sistema Aire - Combustible - Gases de

Combustión, en lado de fuego del GV A, son el bagazo y el aire que son cuidadosamente mezclados y quemados enseguida en la cámara de combustión donde se convierte la

energía química del combustible en energía térmica que es transferida al Sistema Agua

-Vapor.

2.2.1. Normas y códigos aplicables en la fabricación e instalación

El proyecto mecánico en su totalidad, la fabricación de todos sus componentes y las pruebas del GV A, fueron ejecutados basados en el Código ASME (American

Society of Mechanical Engineers) "Boiler and Pressure Vessel,, Section I - Power Boilers.

La calificación de los soldadores y los procedimiento de soldadura para los domos,

cabezales, serpentines del sobrecalentador, paredes de agua y demás zonas de presión a

través del Código ASME - Section IX - "Welding Qualificatiqn,,

Tuberías de acero, fundidos ferrosos, refractarios, aislantes, acero estructural

recomendados de acuerdo con Código ASTM (American Society for Testing and Materials). Válvulas recomendadas conforme a la norma ANSI y API (American Petroleum Institute)

Bridas para cabezales en general recomendados de acuerdo a la norma ANSI (American National Standards Institute) B-16.5 y proyectadas de acuerdo con la norma ANSI 31 "Power Piping" y los pernos y tuercas de acuerdo con la norma ANSI B-18.2.1 y ANSI B-1.1 y otros conforme ANSI B-16.5 y ANSI B-18.1.2.1

(20)

Instrumentación conforme ISA (Instrumentation, Systems and Automation

Society) y Normas de la Fundación Internacional - Foundation Fieldbus

(ANSI/ISA-50, ISA/TRSO, IEC 61158)

2.2.2. Componentes y equipos

Entre los componentes más importantes del GV A, tenemos:

• Transportadores y dosificadores de bagazo.- El b_agazo que sale de la

molienda con una humedad aproximada de 52% es transportado al GV A a

través de una serie de transportadores de fajas y de paletas metálicas que

alimentan a seis dosificadores de b_agazo que son accionados por

motorreductores con sus respectivos variadores de velocidad. La alimentación

del GV A es de tipo Spreader-Stoker, que consiste en una alimentación b_agazo

y aire, a través de un ventilador esparcidor.

• Parrilla basculante.- Asegura la quema del restante de b_agazo que no

combustiona en suspensión. La parrilla esta dividida en seis secciones que son

aperturadas secuencialmente cada 10 minutos por unos pistones neumáticos.

Este tipo de parrillas muestran mucha eficiencia en remoción de cenizas y

arena.

• Haz de convección.-Constituido por tubos verticales doblados, mandrilados

al domo de vapor y al domo de agua. El flujo de gases a través del haz de

convección es de tipo cruzado en un único pase y cuenta con dos sopladores

de hollín a vapor, que son necesarios para la limpieza de las superficies de

intercambio térmico.

• Sobrecalentador.- Son de tipo convectivo no drenable. Con una válvµla de

seguridad en el cabezal colector de sobrecalentado con presión de disparo de 33 Kg./ cm2 y una válvula de globo antiretorno de 012" en la salida del

(21)

�

Fi_gura 2. Haz de convección y sobrecalentador

,111"

��

/

_

��

�

1

1 i

1 •

;

₁

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t:t

(t ·: ;,

I!

SOBRECALENI' ADOR

1. �

$

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1

1 1

1

• Ventilador de aire primario o de tiro forzado.- Este ventilador proporciona

aire con baja presión (250 mm. e.a.) pero con gran caudal (180 Kg./h) hacia el

hogar del GV A y es el responsable del abastecimiento de suficiente aire para

una buena combustión. Este es accionado por un motor de 250 HP y

controlado por un vaciador de velocidad.

• Ventilador de aire secundario.- Este ventilador proporciona aire con una

presión de 450 mm. e.a. con bajo caudal (78 kg./h) y tiene la función de

esparcir bagazo cuando entra al hogar de tal modo que el bagazo se queme

totalmente en suspensión. Es accionado por un motor de 175 HP y controlado

(22)

• Ventiladores de tiro inducido.- Se encargan de extraer los gases de

combustión del horno del GV A manteniendo siempre una presión negativa en

ella. Estos dos ventiladores son accionados por motores de 350Hp que

también son controlados por variadores de velocidad.

• Ventilador dosificador de bagazo o neumático.- Permite el in_greso del b_agazo al hogar en forma continua, facilitando así una distribución uniforme

del b_agazo en toda la sección del hogar con lo que se lo_gra una mayor quema

de b_agazo en suspensión.

• Desaireador.- En este equipo se mezcla el agua de alimentación del GV A con

el vapor de escape de la turbobomba (15 PSI.) y se añade un producto químico

(Nalco 19), con esto se lo_gra eliminar el oxígeno disuelto en el agua que es

perjudicial para las tuberías del GV A. Adicionalmente, en el Desairedor se

eleva la temperatura del agua de alimentación y consecuentemente se lo_gra un

menor consumo de b_agazo mejorando así la eficiencia del Generador.

Fi_gura 3. El desaireador

(23)

• Economizadores.- Los Economizadores permiten que el a_gua de alimentación que ingresa al GVA alcance casi el punto de ebullición a la

presión en que se esta trabajando. Son de tipo tubos lisos y aprovechan los

gases de salida del horno en contracorriente con el a_gua de alimentación, con ello se consi_gue elevar el rendimiento del GV A. Son tres economizadores, teniéndose la posibilidad de by pasear el primero de ellos.

• Precalentadores de aire.- Permiten que el aire proveniente de los

ventiladores primario y secundario que ingresa al hogar, para la combustión del

b_agazo, alcance las temperaturas recomendadas para una combustión eficiente.

Son dos Precalentadores de aire de tipo tubular - vertical, con flujo cruzado,

gas interno y aire externo a los tubos.

• Sopladores de hollín.- Estos sopladores son

unos dispositivos ubicados en puntos estratégicos

del GV A que inyectan vapor a una presión de 9

PSI. para evitar la permanencia de hollín entre los

tubos del haz del sobrecalentador, haz de

convección, y en los economizadores. Con esto se

logra mejorar la eficiencia de intercambio de

calor. El accionamiento de los sopladores de

hollín y la apertura de las válvulas tanto de

bloqueo como de drenaje es totalmente

automático y secuencial.

Fi_gura 4. Soplador de hollín

• Lavador de gases.- El lavador de gases es una caja metálica que cuenta con

unos inyectores de agua que evitan que el hollín fino contenido en lo gases de

combustión fu_gue por la chimenea hacia el medio ambiente, obteniéndose de

este modo gases de salida más limpios. Sin embargo este sistema tiene que

estar bien controlado, no se debe descender demasiado la temperatura de los

gases de combustión ya que si estos gases alcanzan su punto de roció antes de

ser expulsados a la atmósfera pueden causar corrosión en los duetos de salida y

(24)

• Sistema de recuperación de agua.-Las Parrillas del hogar, el domo inferior,

los Precalentadores de aire y el lavador de gases cuentan con tolvas donde se

acumula el hollín que es evacuado mediante la inyección de agua. Esta agua

con cenizas es llevada hacia un sistema de decantación y filtración donde se

recupera el agua que es rehusado en los inyectores de los lavadores de gases y

en las tolvas en mención para evacuar nuevamente las cenizas.

• Sistema de purgas.-El GV A cuenta con dos tipos de purgas principales, una

purga continua en el domo superior cuyo caudal es controlado de acuerdo a la

conductividad del agua de salida por esta purga ( concentración de sales

disueltos) y una purga intermitente en el domo inferior que debe ser abierta por

lo menos una vez cada 24 horas para reducir la acumulación de lodos.

• Planta de tratamiento de agua de alimentación.- El agua de alimentación

del GV A, no debe causar incrustaciones o corrosión en los domos o haz de

tubos del GVA que debe de producir un vapor libre de contaminantes. La

mejor y principal fuente de agua capaz de satisfacer estas necesidades es el agua

de condensado del propio vapor generado. Cuando la cantidad de condensado

no es suficiente, debido a las perdidas, es necesario complementar con agua de

poza que pasa por un tratamiento de Osmosis Inversa y que es almacenada en

un tanque de 540 m3.

• Sistema de control.- Es uno de los sistemas más importantes del GV A pues

permite operarlo en forma segura y uniforme. Es vital para obtener una

producción eficiente, generándo vapor a la presión y temperatura requerida,

cumpliendo con los requisitos medioambientales respecto a la emisión de gases

(25)

2.2.3. Funcionamiento simplificado

Básicamente, este GV A esta compuesto de un domo superior y un domo inferior, ligados por un haz de tubos. En el domo superior se genera vapor saturado, controlándose siempre que el nivel de agua se mantenga en un 50% a diferencia del domo inferior que trabaja totalmente lleno de agua. La evaporación del agua que está dentro de los tubos de las paredes de agua ocurre por la absorción de calor de los gases existentes en la cámara de combustión y a medida que se genere vapor se va adicionando agua proviene del desaireador que es bombeada por una turbobomba de 150 m3/h, o por dos motobombas de 75 m3/h, hacia los economizadores donde ganan calor para luego ingresar al domo superior a través de un tubo distribuidor.

El agua que ingresa, relativamente fría, se dirige hacia abajo y el agua caliente sube por diferencia de densidades. El vapor que se genera en las paredes de agua y en el domo superior pasa a través de unos filtros ciclónicos que evitan que pase agua hacia los sobrecalentadores ubicados en la región final de combustión, donde se obtiene vapor sobrecalentado. La cámara de combustión esta aislada por paredes de refractarios y planchas de aislamiento térmico de 4 Pulg. de espesor para evitar perdidas de calor con el ambiente.

El nivel del domo superior es el principal parámetro a controlar, tanto el nivel alto como el nivel bajo son dañinos para el GV A; un nivel alto producirá arrastre de agua al vapor y un nivel bajo podrá dejar los tubos sin agua, llevándolos a desmandrilarse o fusionarse. La presión del vapor también debe ser mantenida en un rango de variación estrecho, pues este vapor es usado en las turbinas de trapiche y en el Turbogenerador de planta de fuerza que deben operar en forma estable. La presión es controlada, variándose la cantidad de bagazo y aire, a mayor alimentación de combustible mayor generación de calor y evaporación.

Este GV A fue proyectado para trabajar. con tiro forzado y con una presión ligeramente negativa en la cámara de combustión (-5 mm. e.a.). El control de tiro debe

(26)

Figura 5. Generador de vapor CBS 120 _Ton/h

(27)

CAPITULO 111

TECNOLOGÍA EMPLEADA EN EL SISTEMA

DE SUPERVISION Y CONTROL

3.1. Descripción

La tecnología empleada en el sistema de supervisión y control del generador de vapor

es Foundation Fieldbus (FF) que es un Sistema de Control de Campo (Field Control

System - FCS) que ofrece comunicación digital bidireccional y multi-drop entre el sistema

de supervisión de la planta y los dispositivos de campo. Por tanto, Fieldbus es esencialmente una red de Área Local (Local Area Network - LAN) de dispositivos de

campo.

Foundation Fieldbus (FF) es una asociación de más de 140 miembros, que agrupan el 90% de la provisión mundial de instrumentos y sistemas de control y reúne tanto a fabricantes como usuarios finales, universidades, entes de regulación, etc.

Los Sistemas de Control de Campo (FCS) y Fieldbus son la mayor transición en la

(28)

Fieldbus (FF), hasta entonces los sistemas tienen que ser lubridos capaces de aceptar

señales convencionales y señales Fieldbus.

Tecnaogia Dcnimne

Pneumática

19"0

Fi_gura 6. Evolución tecnológica

Analógica Cllgilal Fieldbus

1960 1980 2000 _Tarpo

El uso de servidores OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control (OPC), es una forma de integrar los sistemas Fieldbus con otros sistemas. Por defecto los sistemas Fieldbus ya vienen con un servidor OPC con el cual se puede acceder a la información de servidores de los diferentes sistemas tradicionales como los Sistemas de Control Distribuido (DCS). El software puente OPC lee un parámetro en un servidor y lo escribe en otro servidor, este proceso evita cargar el controlador innecesariamente. OPC trabaja entre softwares de aplicación en una estación de trabajo, pero también entre computadoras en TCP /IP sobre Ethernet, donde es necesano para consolidar la información cuando más de un protocolo es usado.

3.2. High Speed Ethernet (HSE)

HSE, que es un bus de alta velocidad basada en la tecnología Ethernet de

100Mbps/1Gbps, tanto por par trenzado como por fibra óptica. Fue desarrollado desde

1998 por Foundation Fieldbus (FF) como una respuesta directa a las necesidades

expresadas por los usuarios finales.

Fieldbus

Hl se utiliza a nivel de campo para interconectar transmisores, posicionadores, etc., mientras que

Fieldbus HSE

se emplea en un nivel superior,

conectando los segmentos Ht y otros dispositivos de alta velocidad con las estaciones de

(29)

Fieldbus HSE no esta pensado para sustituir a Fieldbus H1, sino para ser utilizado en

combinación con este. Dado que las tecnologías a nivel de campo y a nivel de control

forman parte de una misma familia de protocolos se consi_gue una gran integración,

considerándose que H1 y HSE son esencialmente los mismos protocolos viajando por

medios diferentes.

En función de su finalidad, se definen cuatro tipos de dispositivos HSE:

• Linking device (LD).- Provee acceso a dispositivos H1, también realiza puentes

(bridging) a nivel H1 entre las redes H1 conectadas al mismo dispositivo, incluso a

través de la red HSE hasta otros Linking device, u otros dispositivos HSE.

• Gateway device (GD).- Da conectividad a otras redes "no-FF". Los servicios

ofrecidos dependerán de las capacidades de la red en cuestión.

• Host device (HD).- Es un dispositivo no HSE que puede comurucarse con

dispositivos HSE, como la estación de trabajo de un operador, o un servidor OPC.

• Ethernet device (ED).• Es el equivalente a un dispositivo de campo H1, pero con

una conexión directa a red HSE.

Ethernet Fleld Devlce

Plant

Fi_gura 7. Dispositivo HSE

HSE Devices

100 Mbit/s Switch

Linking Device

Plant Plant

1/0 Network

Plant

(30)

3.3. Beneficios, ahorros y dudas en un Sistema de Control de Campo (FCS)

• Reducción de hardware y cableado.- En un FCS nos olvidamos de los 1/0 remotos necesarios para llevar la señal de campo al controlador. Para hacer esta tarea solo necesitamos un bridge ya que el control PID se encuentra en los equipos de campo. Se utiliza menos hardware que un sistema tradicional por lo que se reduce el número y el tamaño de los paneles que se necesitan para la instalación, esto redunda en la reducción del cableado.

• Comunicación digital y bidireccional.- El beneficio más importante de la

comunicación digital es que virtualmente se puede tener acceso a un ilimitado número de parámetros a través de un dispositivo. En un FCS la comunicación es puramente digital por lo que los lazos de control evitan la conversión de A /D en dos fases.

Comunicación bidireccional qmere decir que los eqmpos de campo tienen la capacidad de enviar señal (control) y recibir señal (monitoreo) al mismo tiempo.

• Lenguaje de programación.- FF usa un lenguaje de programación gráfico con función ''Block diagram". Las estrategias de control son hechas seleccionando bloques de funciones y uniéndolos entre ellos para procesar y manipular variables que pueden ser pasadas de un bloque a otro. El beneficio funcional es un sin número de funciones adecuadas con un mínimo de ingeniería y con la ventaja de que la ejecución del control esta sincronizada con la comunicación, inclusive entre partes hechas por diferentes fabricantes. Esto es posible ya que el protocolo de comurucac10nes y el lenguaje de programación están definidos en una misma especificación.

(31)

para una gran cantidad de simples 1/0 discretos, sin embargo una "Network" puede soportar alrededor de una docena de 1/0 sin problemas.

Algunas válvulas ON/OFF y pequeños módulos 1/0 discretos para esta tecnología ya están disponibles en el mercado.

• Administrador activo y diagnostico.- La tecnología Fieldbus es más que solo la transmisión de los procesos 1/0, adicionalmente la información por el bus incluye confi_guración de download, operaciones remotas y ajustes, e incluso funciones de "Asset management" como dia_gnostico y calibración de la información. El diagnostico detallado es quizá la información más importante a la que se puede acceder en un dispositivo. Las mtinas de auto-dia_gnostico chequean el buen funcionamiento del dispositivo y comunican al resto del sistema si la información que reciben del dispositivo es confiable o no.

• Precisión.- Un posicionador inteligente debe de tener un convertidor A/D que permita que este microprocesador acepte la señal análoga. Esta conversión lleva consigo un error llamado "Quantization error". Una red digital evita la necesidad de esa conversión, lo que resulta en un aumento de precisión.

• Menor mantenimiento.- La eliminación de tarjetas intermedias de 4-20mA si_gnifica que no hay necesidad de chequear o calibrar las tarjetas 1/0, ni salidas de transmisores de corriente ni entradas de posicionadores.

• Es típico ver en las pantallas de supervisión y operación el problema tan pronto como el diagnosticador del dispositivo detecta la falla. Muchas de estas fallas

pueden ser resueltas en modo remoto con simples cambios en al configuración.

Adicionalmente el record de la ultima calibración es guardada en cada dispositivo donde puede ser revisado por lo operadores con facilidad.

• Estadísticas operacionales.- Mejor que saber los problemas que ocurren, es

(32)

• Interoperabilidad.- Nos permite comprar equipos a diferentes proveedores sin la

necesidad de utilizar drivers de conexión, pues Fieldbus es un sistema abierto al

cual la mayoría de los fabricantes están apuntando. Además un software certificado por FF es capaz de confi_gurar cualquier dispositivo certificado por FF.

• Funciones descentralizadas.- Dispositivos basados en tecnología Fieldbus sirven

para mucho más que simples funciones de entrada y salida. Un transmisor no solo

da una medida, sino también la compensación asociada y la totalización.

• Plug and play.- El protocolo de comunicación reduce el trabajo, elimina errores

humanos de dirección, e indica instantáneamente si el dispositivo esta conectado apropiadamente.

• ¿Qué sucede si un cable se rompe?.- Una red a nivel de campo (field level

network) interconecta típicamente 12 o un máximo 16 instnunentos de campo, con

un solo par de cables. Los cables son componentes pasivos y difíciles de romperse, sin embargo si este se daña o rompe se pierde la interconexión entre esos 16

dispositivos. El mayor riesgo es durante el mantenimiento, donde puede ser accidentalmente roto o sufrir un corto circuito. Aun así el daño causado a la planta seria mucho menor comparado al causado por la falla de un modulo 1/0.

• ¿Qué sucede si los dispositivos de control fallan?. - Lo mismo de lo que sucede

con los sistemas convencionales de hoy. Si no hay un posicionador el proceso no pude ser controlado manualmente, la válvula se colocará en su posición de falla -segura. Si el posicionador no opera, tener un controlador no hace la más mínima

(33)

3.4. Identificación y cuantificación de los dispositivos a emplear

Para determinar la cantidad de dispositivos a usar (sensores, transmisores, controladores, etc.), inicialmente se identificaron todos los lazos de control a implementar así como todas las variables que necesitamos monitorear.

Tabla 2. Principales dispositivos a emplear

Control de nivel del domo superior

(04) LD302D - Transmisor de presión diferencial

(04) SWVY3 - Válvula Manifold de tres vías

(01) Water Flow orifice plate

(01) Steam flow Nozzle - Medidor de flujo de vapor

Control de combustión - resión de va or (01) LD302M - Transmisor de Presión Gage (01) SWVF 2 - Válvula Manifold de dos vías (03) FI302 - Convertidor Fieldbus a corriente

08 IS400P Si al distributor and isolator

Control de nivel del desaireador

(01) LD302D -Transmisor de presión diferencial

(01) SWVY3 - Válvula Manifold de tres vías (01) FY302 - Posicionador de válvula

(01) BFY-237 - Soporte para FY

Control de flujo mínimo - venteo

(01) TT302. Transmisor de temperatura

(01) TC - Termocupla

(01) FY302 - Posicionador de válvula (01) BFY-237 - Soporte para FY

(01) TT302. Transmisor de temperatura

(01) TC - Termocupla

(01) FY302 • Posicionador de válvula

Control de tiro - resión de ho ar

(01) LD302M -Transmisor de Presión Gage (01) SWVF 2 - Válvula Manifold de dos vías (01) FI302 -Convertidor Fieldbus a corriente

02 IS400P Si al distributor and isolator

Control de presión de agua de alivio

(01) LD302M -Transmisor de Presión Gage

(01) SWVF 2 - Válvula Manifold de tres vías

(01) FY302 - Posicionador de válvula

Control de agua de lavador de gases

(01) LD302D - Transmisor de presión diferencial

(01) SWVY3 - Válvula Manifold de tres vías

(01) FY302 - Posicionador de válvula (01) BFY-237 - Soporte para FY

Variables adicionales para monitoreo

(12) LD302M -Transmisor de Presión Gage (17) RTD -Termoresistencias (PT100)

(34)

3.5. Características del cableado en Fieldbus

3.5.1. Selección del cable

• Entre los tipos de cables usados en redes Fieldbus tenemos:

Tabla 3. Tipos de cables para Fieldbus

Tipo de cable Velocidad Tamaño - Long.

A Par trenzado Mallado Hl 31.25 Kbps 18AWG 1900 m.

H2 1 Mbps 22AWG 750 m.

H2 2 Mbps 22AWG 500m.

B M ulti - par trenzado Mallado Ml 31.25 Kbps 22AWG 1200 m.

e

Simple o M ulti-par Con o sin

Hl 31.25 Kbps 26AWG 400m.

trenzado malla

• Las longitudes mostradas en el cuadro pueden aumentar usándose hasta cuatro repetidores de señal como máximo.

• Para los pares no trenzados la longitud máxima es muy corta (200 m), incluso

para los que están blindadas y tiene buena sección.

• La longitud total máxima incluye los buses y sus derivaciones.

Para la red implementada se seleccionó el cable Tipo A, que es el recomendado para un performance óptimo. No ha sido necesario el uso de repetidores ya que las longitudes para cada uno de los siete canales no sobrepasan la longitud máxima

permitida.

3.5.2. Alimentación de los dispositivos

Los dispositivos de campo pueden tomar

ia

alimentación directa desde el mismo bus de comunicación, sin embargo también pueden ser alimentados de una fuente diferente y usar el bus solo para comunicarse. Para la alimentación de dispositivos se

(35)

• 32 dispositivos por bus, con alimentación separada

• 12 dispositivos alimentados por el bus, mas una interfase

• Pueden colocarse más o menos dispositivos dependiendo del conswno, el tipo

y la longitud del cable.

Para nuestro caso no ha sido necesano añadir una fuente adicional ya que los

consumos y longitudes están por debajo de los límites máximos.

3.5.3. Instalación eléctrica

• Los cables de señal deben ser conducidos en bandejas/ duetos eléctricos

separados de cables de potencia con altas tensiones.

• Para la instalación del controlador, en el panel de control son hechos dos

-aterramientos, uno analógico y otro de carcaza, separados uno del otro.

• Las redes de cables de los equipos de campo son conectados en el interior del

panel en la barra de tierra analógica y la otra extremidad en el lado de los

equipos de campo es aislada.

3.6. Topología de red y dispositivos HSE

Las posibles topologías para implementar una red Fieldbus dependen de cómo están

instalados los equipos en el campo y de la longitud máxima que podemos cablear. En es

caso, los niveles de red implementados son Red Fieldbus HSE para el LC700, el sistema

de supervisión (PC's), y los DFI302 (Linnking device) y Red Fieldbus H1 (htbrido) para

(36)

Figura 8. Red implementada

1 1

L---E_!�:,'!_N_E.!!�!.2

HSE-SW-01

�---

₁ _MOOBUS/TCP

J

�

¡

1 1 1 • 1 DFl302-11

�---�---' MOOBUS/TCP PORi5 ₁PORT4 1

1

DFl302-2

MODBUSITCPl _MB700 •

CPU-E31

ENTRADA DIGITAL RACK 10=1 RACK 10=2

U

I

UU

lT

I

.

Jíl

@iii-:!i! RACK 10=0

�

SALIDA 01:GITAL

RACKIO=l RACK ID=4

ENTRADA ANALOGECA

RACKID=5

PULSO 4-20 mA

ti

I!

DF1302-1 • IP 1n.1ó8.1� 1oz

OF1302-Z • IP 192 1e9, ,e,uo_o

MB700 = IP 1il-2.1ó8.1� 1C4

(37)

DFl1

1 1 : 1

-

...

-FT-610

PT-300

PT-330

Figura 9. Bus con derivaciones (bus with spurs)

FF H1 - CHANNEL 11

SY-300-1 SY-300-2

PT-600 PT-551

(38)

DB2

PT-550

PT-603 PT-602

LT-400

Figura 10. Bus con derivaciones (bus with spurs)

PT-500

Pi-601

FF H1 - CHANNEL 1

PT-604 _PT-605 _PT-606 PT-607'

PT-501 PT-560 PT-200

FF H1 - CHANNIEL 3 - SPARE

•

(39)

Para la implementación de esta red se consideran los siguientes dispositivos:

• DFI302 - Fieldbus universal bridge.- Es un elemento clave de interfase en un FCS, combina poderosos recursos de comunicación, con acceso directo a entradas y salidas de control avanzado para aplicaciones continuas y discretas. Con un concepto modular, este dispositivo funciona como bridge H1, HSE o H1-HSE-H1 administrando la comunicación de cada canal Fieldbus. En nuestra red tenemos dos DFI302 con sus respectivos componentes indicados en la Tabla 4.

Tabla 4. Componentes del DFI302

Cant. Modulo Descripción

01 DFS0 BackPlane Power Supply

01 DFSl DFI302 Processor

01 DF52 Fieldbus Power Supply - 90 - 264 V AC

01 DF53 Fieldbus Power Supply lmpedance - 4 channels 01 DFl Four slots rack

01 DF2 T erminator for the Last Rack

• LC700 - Programmable controller.- Es un controlador hibrido que tiene la

capacidad lógica y velocidad de un PLC tradicional. Posee las características regulares y potencia de un DCS, con una robusta plataforma de hardware y una amplia variedad de módulos I/0 convencionales, así como módulos de comunicación para Foundation Fieldbus (FF), Profibus, DeviceNet y Modbus. En la red implementada se considero un LC700 con los siguientes componentes:

Tabla 5. Componentes del LC700

Caot. Modulo _Descripción

01 CPU -700 E3 LC700 module - 3 Channels

02 PS-AC-R LC700 Power Supply module Input 90 - 264V AC 01 MB700 ModBus Processor

08 M-013 Module LC700 - 2 Groups of 8 220 V AC Inputs (Isolated)

04 M-123 Module LC700 - 2 Groups of 8 NO relay Outputs (Double leve!

of lsolatioo W /RC)

01 M-303 Module LC700 -2 Groups of 8 channels High Frecuency -O to 10 KHz20VDC

05 M-401 DR Module LC700 -8 voltage /current differential analog Input 02 M-000 Box used in empty slots in the rack

06 R-700-4 Slot Rack (4 Slots per rack) 05 FC-700-0 Flat cable to connect

two

Racks

01 T-�00 Teaninator for LC700

(40)

• JM1 - Junction box para Fieldbus.- El JM1 es una ca1a

de conexión especialmente diseñada para conexiones

Fieldbus que hace que el cableado sea considerablemente

más fácil. Previene corto circuitos en todo el bus durante el

mantenimiento y permite desconectar un dispositivo sin interrumpir la red. En la red implementada se usaron un aproximado de sesenta (60) Junction box

Fi_gura 11.

J unction box

• BT302 Bus terminator.- Es un dispositivo que se instala al final de cada canal de

la red Fieldbus. Su función es prevenir retomo de señal y ruido en la red. Debido a

su pequeño tamaño y forma particular BT302 puede ser montado fácilmente en un Junction box. Es totalmente hermético, eliminando el impacto de la humedad y

otros factores ambientales. En la red implementada contamos con siete BT302 instalados, uno para cada canal Fieldbus

• Estación de trabajo.-La supervisión y operación del GV A se realiza mediante dos

PC's en la que se muestran todas las variables y parámetros a controlar. Desde estas

PC's podemos confi_gurar cada uno de los dispositivos de campo, los DFI302 y el

LC700. En estas PC's se encuentran instalados los siguientes softwares que forman parte del SYSTEM302:

Tabla 6. Software de la estación de trabajo

Software Descripción

SYSCOM Configura y administra el Hardware, las estrategias de control, _{interfaces de operación}_y_{la comunicación en la red.}

Smar OLE Permite que cualquier Interfase Human Machín (HMI) pueda

Server acceder a datos Fieldbus usando interfase estándar OLE for _{process control (OPC).}

Tag List _{Es un cliente OPC desarrollado para validar configuraciones}

Generator V 8 _{Fieldbus. Monitorea los Function Blocks}_y_{sus parámetros,.muestra}

OPC 2.0 Server

V.8.55 las variables del proceso en tiempo real y estadísticamente. Es una aplicación especialmente diseñada para actualizar el

FB Tools Firmware de cualquier equipo Smar Fieldbus (Dispositivos de

campo, procesadores DFI302, etc.).

CONF700 _{lógica Ladder o bloque de función .}Es un software dedicado para la programación del LC700. Con

Incluye todas la aplicaciones que el operador necesita para la

(41)

3.7. Bloques de función Fieldbus - SMAR

La librería de bloques de función del SYSTEM302 fue diseñada para ser potente y

flexible, permitiendo implementar la mayoría de estrategias de control de procesos. SMAR

a desarrollado algunos bloques de función de acuerdo a los requerimientos de los clientes,

como el Advanced PID, density, OSDL (Output si_gnal Selector and dynamic limiter) y

otras más. Cualquiera de estos bloques de función puede ser confi_gurado por cualquier

configurador Fieldbus y además pueden ser linkeados por otros bloques de función.

Tabla 7. Bloques de función SMAR más usuales

PID control PID

Splitter SPLT

Set Point Ramp Generator SPG

Output selector/Dynamic limiter OSDL

Control

Step Output PID STEP

Block

Manual loader ML

Bias/Gain BG

Control Selector

es

Ratio RA

Resource RS

Transducer Block TRD

Transducers

Diagnostic transducer DIAG

Resource

Display transducer DSP

Blocks

Hardware Configuration Transducer HC

Temperatura DF-45 Transducer TEMP

Analog Output AO

Discrete Output DO

Output Block

Múltiple Analog Output - 8 canales MAO

Múltiple Discrete Output - 8 canales MDO

Arithmetic ARITH

Sinal Caracterizar CHAR

Integrator INTG

A nalog alarm AALM

Calculate Input selector ISEL

Block Timer TIME

Lead Lag LLAG

Density DENS

Constant CT

(42)

Fi_gura 12. Estrategias de control en base a los bloques de función SMAR

Flujo de agua de alimentación

Básico

Nivel del Domo

Control a tres elementos

Cascada

Flujo de vapor

Control de rango partido

Razón

(43)

CAPITULO IV

LAZOS DE CONTROL DEL GENERADOR DE VAPOR

4.1. Control de nivel del domo superior.

En generadores de vapor de gran porte el nivel es una variable absolutamente crítica,

toda vez que el volumen del domo es muy pequeño comparada con el flujo de vapor

generado, pequeñas deficiencias en el control de nivel podrían originar problemas

operacionales y de seguridad.

Entre las estrategias de control para nivel de un domo tenemos el Control de nivel a

un elemento, a dos elementos y a tres elementos.

En la estrategia de control de nivel a un elemento, (ver Figura 13.) el transmisor de

nivel envía la señal de salida al controlador (LIC); el controlador compara esta señal con el

Set point y envía una señal de corrección a la válvula de control, que aumenta o diminuye el

flujo de agua que ingresa al domo. Como en este cas9 se está utilizando un lazo común con

realimentación negativa, el nivel será corregido luego de producirse una variación en el

(44)

Las variaciones en el flujo del vapor generado tienen como consecuencia variaciones

en el nivel, por lo que en la estrategia de control de nivel a dos elementos el flujo de

vapor es utilizado para hacer una corrección anticipada de la variación de nivel, con lo que se obtiene un control más eficiente de esta variable.

Figura 13.

Control de niYel a un elemento _{Control de ni,·el a dos elementos}Figura 1-1-.

LT

Como se puede ver en la Fi_gura 14. el flujo de vapor hará una corrección anticipada al

nivel. La realimentación del sumador (FY) será hecha por el transmisor de flujo de vapor (F1) y por el control de nivel (LIC). El resultado del sumador (FY) será enviada a la válvula

de control de nivel.

La salida del sumador (FY). en condiciones de equilibrio, será i_gual a la señal recibida del transmisor de flujo de vapor (F1). En caso que el nivel sal_gadel punto de ajuste; la

salida del LIC variará y. consecuentemente, la salida del sumador será diferente del FT, esto ocurrirá antes de que el sistema sal_gade las condiciones de equilibrio, o sea, antes de que

el nivel cambie el punto de ajuste. La única limitación, es que el agua de alimentación debe tener presión constante, en caso que ocurran variaciones en la presión, el flujo en la válvula se alterara, obli_gando al sistema de control hacer correcciones continuamente.

Debido a las limitaciones de estas dos estrategias anteriores, generalmente se opta por

(45)

4.1.1. Control de nivel a tres elementos

Consiste en un control en cascada para medir y controlar el flujo de agua que

ingresa al domo a través de la válvula de control de alimentación de a_gua.

El sumador (FY) repite la señal del transmisor de flujo de vapor (FT-Vapor)

cuando el nivel esta en el punto de ajuste. En el caso que el nivel sal_gadel punto de

ajuste, la salida del LIC variará, consecuentemente, la salida del sumador será diferente

de FT-Vapor; esto ocurrirá antes de que el sistema sal_ga de las condiciones de

equilibrio, o sea, antes de que el nivel salga del punto de ajuste.

Fi_gura 15. Control de nivel a tres elementos

LT

LIC Vapor Agua

El controlador de flujo de agua de alimentación (FIC), que tiene como Set point

la salida del sumador (FY), compara esta señal con la señal recibida del transmisor de

flujo de agua (FT-A_gua) y actúa en la válvula de control de alimentación de a_gua.

En este lazo, tenemos una corrección anticipada del nivel, en función del flujo de

vapor. En caso que el flujo de agua de alimentación varíe por una fluctuación en la

presión, el controlador de flujo (FIC) hará la corrección antes que esta variación

influya en el nivel.

En esta estrategia de control, se usan dos controladores y un sumador, con esto se

consi_gue mejores resultados que con las otras estrategias de control, y con la ventaja

(46)

El Control de nivel a tres elementos que fue implementado tiene las siguientes

características:

• Para el control de flujo de vapor, el operador puede seleccionar entre el valor

de flujo compensado o no compensado.

• Existe totalización del caudal de vapor generado y del caudal de agua

consumida.

• La medición de nivel se da por dos transmisores y la selección del transmisor

de nivel a usar es hecha por el operador en la pantalla de operación.

• Nivel muy bajo en el transmisor de nivel seleccionado accionara el TRIP del

GVA y en tal situación, el PID de control de caudal de agua será trabado y la

válvula de agua será colocada en posición totalmente abierta.

• El elemento final de control es la válvula automática de alimentación de agua

al GV A cuyo funcionamiento tiene que ser verificado abriendo manualmente

entre 0%, 50% y 100%.

Tabla 8. Dispositivos empleados en el control de nivel a tres elementos

TAG Descripción Rango Unid. Modelo

Transmisor de

O - 135 Ton/h LD302-21 I-BUl l-01/11 /PO

20-FT-100

flujo de agua

20-FT-300 Transmisor de O - 130 Ton/h LD302-21I-BU11-01 /11 /PO flujo de vapor

Posicionador de

O - 100 % FY302-11-053/l1 /PO

20-FY-100

válvula

Transmisor de

100 % LD302-21I-BU11-01/Il/PO 20-LT-200A

nivel Domo

21-LT-200B Transmisor de 100 % LD302-211-BU11-0l/l1/PO

nivel Domo

Transmisor de

20-TT-O - 430 ºC TT302-11-0/l1/L3/PO/T4

temperatura 300_301

(47)

4.1.2. Instalación de transmisores y dispositivos adicionales

A. Instalación de transmisor para medición de nivel del domo.

• El transmisor de nivel es instalado con el lado "H" (high) en la toma

inferior del domo, y con el lado "L" (low) en la toma del lado superior.

• Las líneas de conexión tienen potes de lodo en la dos tomas y un pote de

sello en la toma del lado superior. No es necesario pote de sello en la toma

de baja. debido a existir solo agua. Estos potes son purgados en cada parada

del GV A o en función del tratamiento de agua.

• La instalación consta con válvulas de bloqueo para mantenimiento de las

líneas de conexión. Estas líneas de conexión deben de tener siempre

columnas de agua sin fugas.

Figura 16. Instalación de transmisor para medición de nivel del domo

-

_DRENO

VALVULA MANIFOLD

POTE DE SELLO

LD302D

-_--_{� TRANSMISOR}

DE PRESION

DIFERENCIAL

Implementación de los lazos de control de un generador de vapor de 120 ton/h del ingenio azucarero Agro Industrial Paramonga S.A.A

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

"IMPLEMENTACION DE LOS LAZOS DE

CONTROL DE UN GENERADOR DE VAPOR DE

120 TON/H DEL INGENIO AZUCARERO AGRO

INDUSTRIAL PARAMONGA S.A.A"

INFORME DE SUFICIENCIA

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE

INGENIERO MECATRONICO

MARCOS YAMANDU RODRÍGUEZ TUCTO

PROMOCION 2002-11

LIMA-PERU

Dedicado a Mis padres:

Marcos Rodriguez

L

y Victoria Tucto

R

a mis hermanos:

Xenina, Keller, Xandra y Jhessel

y a todas las personas que han contribuido

CONTENIDO

Prólogo

...

IV

...

...

PRÓLOGO

CAPITULO!

INTRODUCCIÓN

en forma eficiente

lo más eficiente posible

CAPITULOII

FUNDAMENTOS

+

+

=

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+

Foster Wbeler

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CAPITULO 111

TECNOLOGÍA EMPLEADA EN EL SISTEMA

DE SUPERVISION Y CONTROL

Fieldbus

Fieldbus HSE

HSE Devices

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CAPITULO IV

LAZOS DE CONTROL DEL GENERADOR DE VAPOR

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